CN1718791A

CN1718791A - 一种制备不锈钢复合材料的方法

Info

Publication number: CN1718791A
Application number: CN 200510011994
Authority: CN
Inventors: 果世驹; 张恒; 孟飞; 杨霞; 连玉栋; 迟悦
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2005-06-24
Publication date: 2006-01-11

Abstract

一种制备不锈钢复合材料的方法，属于粉末冶金技术领域。其特征在于：将低熔点的Cu－Sn合金渗入316L不锈钢基体骨架，冷压制备具有18％～22％孔隙度的316L不锈钢的粉末骨架压坯，用双层添粉法将Cu－Sn合金置于骨架上下面，在氮氢气氛中一次完成熔渗—烧结过程。本发明的优点在于一次完成熔渗和烧结，工艺简单，效果明显。烧结制品残余孔隙大大降低，相对密度可达到97％以上。同时，由于孔隙度的降低，烧结制品的物理机械性能和抗腐蚀性能明显提高。

Description

一种制备不锈钢复合材料的方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，特别是提供了一种制备不锈钢复合材料的方法。

背景技术

不锈钢通常指含铬量在12％-30％的铁基耐蚀合金。由于不锈钢具有耐腐蚀性、抗氧化性、外观好、加工性能好，可作为耐蚀、耐热材料，还可作为良好的低温结构材料、无磁材料。近几十年来，不锈钢的使用范围向轻工和家庭生活方面迅速发展。通常，不锈钢的价格都远高于钢铁。

粉末冶金法生产不锈钢克服了传统熔炼技术生产成本高、金属材料利用率低、产品尺寸精度不高等缺点，明显改善了传统熔炼技术对不锈钢零件形状特别苛刻的要求，同时产品具有良好的物理、力学性能，因此广泛应用于医疗器械、化工、纺织及核工业等领域。主要参考文献有：Prof.Dr.Vicente Chiaverini，Dr.Engog.Jeszensky.Sintered stainless steel.Powder metallurgy.1992，vol5，359-372等

粉末冶金不锈钢零件能否替代致密不锈钢零件取决于两个主要因素：它的强度及耐腐蚀性。通常，粉末冶金结构零件组织内部有一定量的残留孔隙。残留孔隙会降低零件的强度和耐蚀性能(主要文献有：Yuly V.Milman.the influence ofporosity on mechanical properties of sintered material.Sinter andmaterial 1995，49-53等)。随着粉末冶金工艺不断发展，已有诸如温压、模壁润滑和合金化等技术可以在很大程度上消除这些残留孔隙，增加材料的强度。

熔渗(infiltration)是另一种降低孔隙度同时提高零件各项机械性能的工艺技术。从五十年代以来，该工艺逐渐为人们所认识，应用范围日益扩大(主要文献有：A.Ashurst，E.Klar and H.R.Mccurdy.Copper infiltration of steel：Pro-perties and Applications.Progress in P/M.VOL39：163-182；吴晓莉，杨德统，申小平.熔渗铜对高合金烧结钢组织的影响.粉末冶金技术.2001，4(2)：199-203等)。该法是将熔化了的低熔点的金属铜或铜合金利用毛细管作用原理使其自发渗入基体骨架中去(基体骨架孔隙度一般为10％-30％)并经高温扩散以及其他物理化学作用达到降低孔隙度提高其物理机械性能的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备不锈钢复合材料的方法。通过消除316L烧结不锈钢的残余孔隙，有效的提高烧结制品的密度、强度和抗腐蚀性能。

本发明提出了一种利用熔渗法制备不锈钢复合材料的方法。将低熔点的Cu-Sn合金渗入316L不锈钢基体骨架从而得到一种新的高密度、高强度且具有良好抗腐蚀性能的不锈钢复合材料。内容包括：冷压制备具有18％～22％孔隙度的316L不锈钢的粉末骨架压坯，用双层添粉法将Cu-Sn合金置于骨架上下面，在氮氢气氛中一次完成熔渗—烧结过程。

骨架金属：骨架金属为316L不锈钢，选用粒度为74μm的316L不锈钢粉末，原始粉末中加入1-3％的PEG80F润滑剂和1-3％Cu-Sn合金作为助渗剂。用自制球磨罐混1-2小时，球料比3∶1。

骨架密度：熔渗压坯用最大压力为120KN的材料试验机压制，骨架压制压力在343Mpa～686Mpa间。骨架密度在6.222g/cm³～6.467g/cm³之间，相对密度为78.2％～81.2％，其中以骨架密度6.317g/cm³的压坯熔渗效果最佳。

熔渗金属：Cu-Sn合金(90％Cu、10％Sn)。

熔渗温度：1050℃～1100℃之间。

熔渗过程：从室温(20℃～25℃)经60～80分钟升温到400℃～500℃左右，保温20～30分钟后继续升温，在100～120分钟后升温到熔渗温度(1050℃～1100℃)，保温30～40分钟，然后直接进入烧结炉冷却段冷却至室温。

本发明的优点在于一次完成熔渗和烧结，工艺简单，效果明显。烧结制品残余孔隙大大降低，(相对密度可达到97％以上)。同时，由于孔隙度的降低，烧结制品的物理机械性能和抗腐蚀性能明显提高。

附图说明

图1为本发明的实施例1压制、溶渗示意图。

图2为本发明的实施例1在不同压制压力下骨架密度的变化。横坐标为压制压力(Mpa)，纵坐标为骨架密度(g/cm³)。

图3为本发明的实施例2烧结工艺过程图解。

图4为本发明的实施例2在不同压制压力和不同烧结温度下试样烧结后的硬度变化。横坐标为压制压力(Mpa)，纵坐标为硬度(HRB)。所有样品的烧结温度均为1050℃。

图5为本发明的实施例3在1100℃、457Mpa试样烧结后的电极化曲线。

具体实施方式

原料粉末为国产316L不锈钢粉末。含氧量低于0.3％，其它Cr，Ni，Mo的含量与标准316L不锈钢成分相同，见表1。

表1 实验用316L不锈钢粉末成分

标准316L不锈钢钢号		化学成分/％
标准316L不锈钢钢号		化学成分/％									ISI	中国	Cr	Ni	C	Mn	Si	P	S	Mo	铁
316L	OOCr17Ni14Mo2	16～18	10～14	0.08	2.0	1.0	0.035	0.03	2.00～3.00	余量	ISI	中国	Cr	Ni	C	Mn	Si	P	S	Mo	铁

实施例1

在316L不锈钢粉末加入1％的PEG-80润滑剂和1％Cu90Sn10作为压制混合粉，0.5h摇匀混合粉末，用120KN材料试验机冷压压制熔渗压坯。熔渗压坯采用双层添粉法压制，即在模腔中依次添加熔渗金属Cu90Sn10(0.3g)→316L不锈钢粉(1.7g)→Cu90Sn10(0.3g)。圆柱形模腔直径为10.55mm。压制压力依次取343Mpa、457Mpa、572Mpa和686Mpa。为确定骨架密度，预先用混合粉末在343Mpa、457Mpa、572Mpa和686Mpa压制出骨架压坯，用螺旋测微器测量压坯尺寸(误差0.001mm)，用感量为0.0001g的电子天平称重，计算得到密度值。如表1所示：

表1 在不同压制力下混合粉的骨架生坯密度

图1为该混合粉末骨架密度和压制压力的曲线关系。由于熔渗是通过毛细管作用原理使低熔点金属自发渗入骨架金属中的过程，骨架压坯需要一定量的连通孔隙，因此，压制压力不易过高，压坯相对密度取75％～85％为宜。

实施例2

将压制成形的熔渗压坯试样分别在1050℃和1100℃烧结。烧结气氛选用分解氨。首先，在500℃对试样进行预热20分钟，以使试样中的润滑剂分解，然后分别在1050℃和1100℃进行熔渗和烧结，熔渗时间30分钟，最后将试样直接推入烧结炉冷却段冷却至室温。工艺过程见图4。

表2为不同压制压力试样在1050℃烧结后的硬度和密度的变化。

(压制压力分别为343Mpa、457Mpa、572Mpa和686Mpa，烧结温度为1050℃)

压制压力(Mpa)	熔渗前骨架密度(g/cm³)	熔渗后试样密度(g/cm³)	硬度(HRB)
压制压力(Mpa)	熔渗前骨架密度(g/cm³)	熔渗后试样密度(g/cm³)	硬度(HRB)	343Mpa	6.222	7.71	88.2
457Mpa	6.317	7.76	89.2	343Mpa	6.222	7.71	88.2
457Mpa	6.317	7.76	89.2	572Mpa	6.404	7.78	84.7

686Mpa

6.467

7.74

83.3

表3为不同压制压力试样在1100℃烧结后的硬度和密度的变化。(压制压力分别为343Mpa、457Mpa、572Mpa和686Mpa，烧结温度为1100℃)

压制压力(Mpa)	熔渗前骨架密度(g/cm³)	熔渗后试样密度(g/cm³)	硬度(HRB)
压制压力(Mpa)	熔渗前骨架密度(g/cm³)	熔渗后试样密度(g/cm³)	硬度(HRB)	343Mpa	6.222	7.85	84.2
457Mpa	6.317	7.94	80.6	343Mpa	6.222	7.85	84.2
457Mpa	6.317	7.94	80.6	572Mpa	6.404	7.91	79.1
686Mpa	6.467	7.92	75.4	572Mpa	6.404	7.91	79.1

316L烧结不锈钢的硬度一般在HRB49左右，在添加增强相TiC、WC和Si₃N₄后，材料的硬度分别提高至HRB90，HRB73和HRB93.5。从表2，表3可看出，经过熔渗工艺后316L烧结不锈钢的硬度有很大的提高。同时，从表中可见，随着压制压力的增大，试样硬度有所降低。这是由于压制压力的增大，骨架密度也相应提高，试样压坯的孔隙度由22％降至18％。而孔隙度的下降，压坯中的连通孔隙降低，闭孔增加，造成骨架熔渗不完全。另外，由表2、3可见，熔渗-烧结温度过高的话，硬度会有所下降。这可能是因为虽然熔渗温度高对制品密度、强度和硬度有良好的影响，但如果温度过高，晶粒长大速率提高，可能导致晶粒过分长大，这对制品的提高强度和硬度是非常不利的。

实施例3

对于粉末不锈钢零件来说，评价其性能的优劣的另一重要指标是其抗腐蚀性能。通常，在一定浓度的NaCl或各种酸性介质如H₂SO₄、HNO₃和HCl中，测定不锈钢的腐蚀类型。

在粉末冶金工艺中，通常烧结制品都不可避免的存在一定量的残余孔隙，这些残余孔隙，特别是连通孔隙不仅明显减低材料的力学性能，同时也会恶化材料的抗腐蚀性能。而本发明中的熔渗工艺要求压制骨架金属时必须保证有一定量的连通孔隙，同时尽量减少闭孔隙，利用这些连通孔隙作为毛细管进行熔渗，这是该工艺的特点之一。在1050℃熔渗后，试样密度达到7.75左右，相对密度96％以上；在1100℃熔渗后，试样密度更达到7.9以上，相对密度98％以上。

对熔渗试样进行电位腐蚀试验。试验条件为：设备为M273恒电位仪，测试系统为M352，反应器上插入的三个电极分别为参比电极—甘汞电极、辅助电极—铂电极和工作电极—待测试样，盐桥是饱和KCl溶液加琼脂，在放入参比电极前要先滴几滴饱和KCl，然后设定参数，设定扫描速度为16mv/min，扫描电位范围为-20-+20mv，测出电极化曲线。

临界腐蚀电位绝对值越大说明试样越易被腐蚀。观察腐蚀试验后试样表面情况，发现所有试样表面没有腐蚀迹象且仍然光亮致密。致密316L不锈钢的临界腐蚀电位大约在-168mv左右，而一般纯316L烧结不锈钢试样的临界腐蚀电位大约为-0.4V，经过熔渗处理后的316L烧结不锈钢试样的临界腐蚀电位平均在-250mv以下，其中1100℃、457Mpa的熔渗试样的临界腐蚀电位达到了-215.7mv，几乎达到致密不锈钢的水平。观察不同烧结温度和压制压力试样的电极化曲线，发现压制压力为457Mpa的两组试样其钝化现象非常明显，特别是试样还产生了二次钝化现象，这是致密316L不锈钢所没有的。

例4

致密奥氏体316L不锈钢具有良好的塑性，延伸率达到30％，而一般烧结钢的延伸率在3％-5％以下，属于脆性材料。经过熔渗工艺处理的316L烧结不锈钢，由于大大消除了残余孔隙，其密度接近理论密度，烧结制品的塑性有很大的提高。

本发明用压缩变形法判定渗铜锡316L不锈钢的塑性优劣。观察样品在压下量60％时，是否产生宏观裂纹。选用1100℃烧结试样，各样品压下量60％所需的压强大致相同，为3000Mpa。下表为各样品压下量60％的硬度。

观察试样，经过压缩变形后，所有试样在非常大的压强变形后均没有宏观裂纹，可见渗铜锡后316L烧结不锈钢的塑性确实有很大的提高，同时材料的烧结强度和硬度也提高非常明显。

Claims

1、一种制备不锈钢复合材料的方法，其特征在于：将低熔点的Cu-Sn合金渗入316L不锈钢基体骨架，冷压制备具有孔隙度18％～22％的316L不锈钢的粉末骨架压坯，用双层添粉法将Cu-Sn合金置于骨架上下面，在氮氢气氛中一次完成熔渗-烧结过程。

2、按照权利要求1所述方法，其特征在于：

a、熔渗金属与骨架金属的成分的选择：骨架金属316L不锈钢选用粒度为74μm的316L不锈钢粉末，在粉末中加入1-3％的PEG80F润滑剂和1-3％Cu-Sn合金作为助渗剂；在球磨机干混1-2小时，球料比3∶1；

b、骨架密度和熔渗温度的选择：熔渗压坯用最大压力为120KN材料试验机压制，骨架压制压力在343Mpa～686Mpa之间，骨架密度为6.222g/cm³～6.467g/cm³，相对密度在78.2％～81.2％之间；熔渗温度在1050℃～1100℃间；

c、熔渗过程：从20℃～25℃经60～80分钟升温到400℃-500℃，保温20～30分钟后继续升温，在100～120分钟后升温到熔渗温度1050℃～1100℃，保温30～40分钟，然后直接进入烧结炉冷却段冷却至室温。